縦型インダクタ
【課題】Ｓｉ基板上に、低損失でかつ、小面積で高インダクタンスを実現するインダクタ素子を提供する。
【解決手段】Ｓｉ基板２０１上に形成した能動素子と、膜厚が１０ｕｍ以上の絶縁膜２０３を介し、前記絶縁膜２０３上方に複数層の配線（２０４，２０６，２０８）を利用して、１０ＧＨｚ以上の周波数で誘電正接が０．０２以下であり、前記絶縁膜２０３よりも透磁率が高い絶縁膜（２０５，２０７）を挟むようにして縦型インダクタを形成する構成とする。この構成によれば、低損失でかつ、低面積・高インダクタンスなインダクタを実現することができる。
【解決手段】Ｓｉ基板２０１上に形成した能動素子と、膜厚が１０ｕｍ以上の絶縁膜２０３を介し、前記絶縁膜２０３上方に複数層の配線（２０４，２０６，２０８）を利用して、１０ＧＨｚ以上の周波数で誘電正接が０．０２以下であり、前記絶縁膜２０３よりも透磁率が高い絶縁膜（２０５，２０７）を挟むようにして縦型インダクタを形成する構成とする。この構成によれば、低損失でかつ、低面積・高インダクタンスなインダクタを実現することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デバイスに形成される縦型インダクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、化合物半導体とヘテロ構造トランジスタの両者の発達はマイクロ波およびミリメートル波長回路との改良された周波数性能を助長する。例えば、優れた高周波数性能は選択されたパンドギャップの半導体によりヘテロ構造のバイポーラトランジスタ（以下ＨＢＴ）の各トランジスタ領域を形成することにより達成される。ＨＢＴの例では、エミッタ半導体はベース半導体よりも大きなバンドギャップを有するように選択される。このことによりエミッタがエミッタ効率を増加させるために高濃度にドープされるため、ベースを高濃度にドープしてベース抵抗を増加させる必要がなくなり、ベース長を狭くすることを可能にする。さらに、コレクタ半導体はトランジスタのブレークダウン電圧を増加するように選択されることができる。
【０００３】
従来、ヘテロ構造トランジスタの利点が得られるのは主として砒化ガリウムアルミニウム／砒化ガリウム（以下ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ）半導体システムがあげられる。ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓシステムの利点は、優れた格子整合と、良好に開発された成長技術（例えば、分子ビームエピタキシおよび金属有機化合物の化学蒸気付着）と、大きなバンドギャップ差の有効性と、高い電子移動度と、半絶縁ＧａＡｓ基体を含んでいる点である。
【０００４】
これらの半導体システムのマイクロ波およびミリ波信号の伝導は典型的に差動のマイクロストリップ伝送線路あるいはコプレーナ伝送線路により達成される。これらの構造の誘電体は誘電損失を減少するように低い損失タンジェントを有することが好ましい。典型的に、これらの半導体システムの基体は伝送線路の誘電体を形成する。ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓシステムの基体はクロムまたは鉄のようなキャリアトラップ不純物の付加を通じて高い比抵抗で製造することができる。従って、これらの基体は低損失伝送線路の形成に使用することができる。また、この高い比抵抗と高い比誘電率を有するこの基体では、平衡と不平衡の状態にある電気信号を変換するための受動素子バラン（平衡−不平衡変換器）において優れた特性を得ることができる。
【０００５】
一方近年、シリコンゲルマニウム／シリコン（以下ＳｉＧｅ／Ｓｉ）やシリコン上のＣ−ＭＯＳデバイスがマイクロ波あるいはミリ波領域において利用できる可能性が示されている。Ｓｉは最も成熟した半導体技術であり、他の半導体システムよりも価格面の利点が大きい。
【０００６】
しかしながら、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓは基板自体が絶縁性を示すのとは対照的に、Ｓｉの比抵抗は純化によってしか増加させることができないので、比抵抗が限定される。従って、比抵抗の低いＳｉ基板にまで伝送線路や受動素子の電磁界が漏れ出し、Ｓｉ基板上で製造される伝送線路や受動素子は不所望な損失を発生する。主にこの理由で、廉価なＳｉＧｅ／Ｓｉシステムで構成されるＭＭＩＣは競争的性能を示さない。
【０００７】
そこで、Ｓｉ基板上の能動素子上に絶縁膜を数ミクロンから十数ミクロン堆積させ、その上に伝送線路や受動素子を形成する方法が提案されている（特許文献１参照）。
しかし、Ｓｉ−ＣＭＯＳデバイスは微細化されているのに対し、受動素子の大きさは非常に大きくチップ面積が大きくなり、低コスト化のためには、素子の微細化が非常に重要な課題となっている。面積を大きくなる素子の一つにインダクタが挙げられる。インダクタは一般的にスパイラル形状に形成することで所望のインダクタンスを得る。
【特許文献１】特開２００２−０５７２９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そのため、本発明の縦型インダクタは、Ｓｉ基板上に、低損失でかつ、小面積で高インダクタンスを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の縦型インダクタは、Ｓｉ基板上に形成される能動素子上に第１の絶縁膜を介して形成される縦型インダクタであって、少なくとも２層以上の配線と、配線層間に設けられる第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜を貫通して前記配線を電気的に接続するコンタクトとから形成され、前記第２の絶縁膜が前記第１の絶縁膜よりも透磁率が高く、前記第２の絶縁膜が金属化合物と前記金属化合物よりも透磁率の低い有機絶縁膜の混合材料で形成されることを特徴とする。
【００１０】
また、前記配線と前記コンタクトを接続することによりスプリング形状にすることを特徴とする。
また、前記第１の絶縁膜の膜厚が１０ｕｍ以上であることを特徴とする。
【００１１】
また、前記第１の絶縁膜が樹脂であることを特徴とする。
また、前記第２の絶縁膜の誘電正接が、０．０２以下であることを特徴とする。
また、前記第２の絶縁膜の膜厚が１ｕｍ以上であることを特徴とする。
【００１２】
また、前記第２の絶縁膜の透磁率が１以上であることを特徴とする。
また、前記第２の絶縁膜に含まれる金属化合物の粒子は平均粒径が１ｕｍ以下の粒子であることを特徴とする。
【００１３】
また、前記第２の絶縁膜に含まれる金属化合物は、元素としてＮｉ、Ｆｅ、Ｍｏのいずれか１つ以上を含むことを特徴とする。
また、前記第２の絶縁膜はインダクタを形成する部分のみに選択的に形成され、前記第２の絶縁膜の周囲の前記配線層間には第３の絶縁膜を形成することを特徴とする。
【００１４】
また、前記第２の絶縁膜は感光性材料であることを特徴とする。
以上により、Ｓｉ基板上に、低損失でかつ、小面積で高インダクタンスを実現することができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、インダクタを複数層に形成された配線をコンタクトで接続して形成し、配線層間の層間膜を金属化合物と金属化合物よりも透磁率の低い有機絶縁膜との混合材料で形成し、さらに、層間膜の透磁率を下層の絶縁膜よりも高くすることにより、効率の良いインダクタが形成できるので、Ｓｉ基板上に、低損失でかつ、小面積で高インダクタンスを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の縦型インダクタは、Ｓｉ基板上に形成される高周波素子において、少なくとも２層以上の配線を利用して形成し、前記複数配線層の間の層間膜が下層の絶縁膜よりも透磁率が高く、前記層間膜が金属化合物と前記金属化合物よりも透磁率の低い有機絶縁膜との混合材料で形成されることを特徴とする。
【００１７】
このように、複数層に形成された配線を必要な長さになるようにコンタクトで接続してインダクタを形成することにより効率的にインダクタンスを確保し、インダクタを形成する配線層間の層間膜を金属化合物と金属化合物よりも透磁率の低い有機絶縁膜との混合材料で形成し、さらに、層間膜の透磁率を下層の絶縁膜よりも高くすることにより平面型のインダクタよりも小さい面積で同等以上のインダクタンスを得ることができる。また、層間膜を感光性とすることで容易に所望の部位のみに層間膜を形成することが可能となり、効率の良いインダクタが形成できるので、Ｓｉ基板上に、低損失でかつ、小面積で高インダクタンスを実現することができる。
【００１８】
以下、本発明における縦型インダクタの具体的な実施の形態について、図面を用いて説明する。
（実施の形態１）
まず、実施の形態１における縦型インダクタの実施の形態について、図１，図２を用いて説明する。
【００１９】
図１は実施の形態１における縦型インダクタの構成を示す模式図であり、高周波デバイス中の３層構造の縦型インダクタを抜き出した３次元的構造を示す図である。図２は実施の形態１における縦型インダクタを備える高周波デバイスの構成を示す概略断面図である。
【００２０】
図１，図２に示すように、Ｓｉ基板２０１上に、ＳｉやＳｉＧｅなどＳｉの特性を用いたトランジスタなどの能動素子層と、Ｓｉ基板上にＣＭＯＳなど能動素子を形成する工程の後工程としてＡｌやＣｕなどと絶縁層とを積層した多層配線層２０２が形成される。この多層配線層２０２の上に絶縁膜２０３が形成される。この時、多層配線層２０２に含まれる絶縁膜の膜厚と、その上に形成される絶縁膜２０３の膜厚との合計が１０ｕｍ以上とすることが好ましい。特に絶縁膜２０３のみで１０ｕｍ以上とすることが望ましい。これは、図３に示したように受動素子や配線を形成する層とＳｉ基板との距離が１０ｕｍ以下であると、比抵抗の低いＳｉ基板にまで伝送線路や受動素子の電磁界が漏れ出し、Ｓｉ基板上で製造される伝送線路や受動素子に不所望な損失が大きく発生するのを防ぐためである。絶縁膜２０３の上方に縦型インダクタを含む受動素子を形成する第１層目の配線層２０４，第２層目の配線層２０６，第３層目の配線層２０８が形成される。特に、絶縁膜２０５，絶縁膜２０７中にコンタクト２１１を形成し、第１層目の配線層２０４，第２層目の配線層２０６，第３層目の配線層２０８を電気的に接続することにより必要な長さ，インダクタンスを有するインダクタを得ることができる。ここで配線層は３層としているが２層以上であればよい。配線層２０８上には絶縁膜２０９が形成される。
【００２１】
さらに、第１層目の配線層２０４，第２層目の配線層２０６，第３層目の配線層２０８の間の層間膜２０５，層間膜２０７が下層の絶縁膜２０３よりも透磁率が高く、層間膜２０５，層間膜２０７が金属化合物と金属化合物よりも透磁率の低い有機絶縁膜の混合材料で形成する。
【００２２】
このように、インダクタを複数層に形成された配線をコンタクトで接続して形成し、配線層間の層間膜を金属化合物と金属化合物よりも透磁率の低い有機絶縁膜との混合材料で形成し、さらに、層間膜の透磁率を下層の絶縁膜よりも高くすることにより、縦型に螺旋状に形成した配線内部に発生する磁束を強めることができるので、配線のインダクタンス成分を強めることができる。一般的に透磁率の高い材料は誘電損失が大きく、低損失な配線の層間膜としては不向きである。逆に、誘電損失の低い樹脂膜は透磁率が低く、縦型インダクタの層間膜としては不向きである。しかし、本発明のように混合材料とすることで、誘電損失の上昇を抑えながら、透磁率を高めることができる。また、透磁率の高い材料は一般的に金属材料であるため加工が困難であり、所望の部位だけに形成することが困難である。しかし、感光性有機絶縁膜の性質から、容易に所望の位置のみに層間膜を形成することができ、インダクタンスを形成する以外の高透磁率が不要な部位には低誘電損失に特化した絶縁膜のみによって形成することが可能となる。そのため、Ｓｉ基板上に、低損失でかつ、小面積で高インダクタンスを実現する効率の良いインダクタが形成することができる。特に、コンタクト２１１により第１層目の配線層２０４，第２層目の配線層２０６，第３層目の配線層２０８を電気的に接続して必要なインダクタンスを有するインダクタを得ることができるので、縦型インダクタのインダクタンスを飛躍的に上昇させることができる。
【００２３】
また、第１層目の配線層２０４，第２層目の配線層２０６，第３層目の配線層２０８は、Ｓｉ基板上に形成された能動素子と、その上に形成された絶縁膜２０３の上に形成されることを特徴とする。また、絶縁膜２０３としては樹脂を用いても良い。
【００２４】
この時、多層配線層２０２に含まれる絶縁膜の膜厚、絶縁膜２０３との合計膜厚は厚い方が比抵抗の低いＳｉ基板への電磁界の漏れ出しを防ぎ、伝送線路や受動素子の損失を防げるため望ましい。
【００２５】
また、多層配線層２０２内の配線、もしくは、別途形成する配線層で、信号以外の部分をグラウンドとして、Ｓｉ基板２０１からの影響を遮ることが望ましい。また、この場合、そのグラウンド層から受動素子を形成する配線層までの絶縁膜の膜厚が１０ｕｍ以上であることが望ましい。
（実施の形態２）
次に、実施の形態２における縦型インダクタの実施の形態について、図７を用いて説明する。
【００２６】
図７は実施の形態２における縦型インダクタを備える高周波デバイスの構成を示す概略断面図である。
図７に示すように、Ｓｉ基板７０１上に、ＳｉやＳｉＧｅなどＳｉの特性を用いたトランジスタなどの能動素子層と、Ｓｉ基板上にＣＭＯＳなど能動素子を形成する工程の後工程としてＡｌやＣｕなどと絶縁層とを積層した多層配線層７０２が形成される。この多層配線層７０２の上に絶縁膜７０３が形成される。この時、多層配線層７０２に含まれる絶縁膜の膜厚と、その上に形成される絶縁膜７０３の膜厚との合計が１０ｕｍ以上とすることが好ましい。特に絶縁膜２０３のみで１０ｕｍ以上とすることが望ましい。これは、図３に示したように受動素子や配線を形成する層とＳｉ基板との距離が１０ｕｍ以下であると、比抵抗の低いＳｉ基板にまで伝送線路や受動素子の電磁界が漏れ出し、Ｓｉ基板上で製造される伝送線路や受動素子に不所望な損失が大きく発生するのを防ぐためである。絶縁膜７０３の上方に縦型インダクタを含む受動素子を形成する第１層目の配線層７０４，第２層目の配線層７０６，第３層目の配線層７０８が形成される。特に、絶縁膜７１０中にコンタクト７１１を形成し、第１層目の配線層７０４，第２層目の配線層７０６，第３層目の配線層７０８を電気的に接続することにより必要なインダクタンスを有するインダクタを得ることができる。ここで配線層は３層としているが２層以上であればよい。配線層７０８上には絶縁膜７０９が形成される。
【００２７】
さらに、第１層目の配線層７０４，第２層目の配線層７０６，第３層目の配線層７０８の間の絶縁膜７１０が下層の絶縁膜７０３よりも透磁率が高く、絶縁膜７１０が金属化合物と金属化合物よりも透磁率の低い有機絶縁膜との混合材料で形成する。
【００２８】
このように、複数層に形成された配線をコンタクトで接続してインダクタを形成し、インダクタを形成する配線層間の層間膜を金属化合物と金属化合物よりも透磁率の低い有機絶縁膜との混合材料で形成し、さらに、層間膜の透磁率を下層の絶縁膜よりも高くすることにより平面型のインダクタよりも小さい面積で同等以上のインダクタンスを得ることができる。また、層間膜を感光性とすることで容易に所望の部位のみに層間膜を形成することが可能となり、効率の良いインダクタが形成できるので、Ｓｉ基板上に、低損失でかつ、小面積で高インダクタンスを実現することができる。特に、コンタクト７１１により第１層目の配線層７０４，第２層目の配線層７０６，第３層目の配線層７０８を電気的に接続して必要なインダクタンスを有するインダクタを得ることができるので、縦型インダクタのインダクタンスを飛躍的に上昇させることができる。
【００２９】
また、第１層目の配線層７０４，第２層目の配線層７０６，第３層目の配線層７０８は、Ｓｉ基板上に形成された能動素子と、その上方に形成された絶縁膜７０３の上に形成されることを特徴とする。また、絶縁膜７０３として樹脂を用いることも可能である。
【００３０】
この時、絶縁膜の誘電率が高いほど比抵抗の低いＳｉ基板にまで伝送線路や受動素子の電磁界が漏れ出し、Ｓｉ基板上で製造される伝送線路や受動素子に不所望な損失が大きく発生するのを防ぐため、多層配線層７０２に含まれる絶縁膜の膜厚、絶縁膜７０３との合計膜厚は厚い方が望ましい。
【００３１】
また、多層配線層７０２内の配線、もしくは、別途形成する配線層で、信号以外の部分をグラウンドとして、Ｓｉ基板７０１からの影響を遮ることが望ましい。また、この場合、そのグラウンド層から受動素子を形成する配線層までの絶縁膜の膜厚が１０ｕｍ以上であることが望ましい。
【００３２】
次に、実施の形態２における縦型インダクタの構成例について、図４〜図６を用いて説明する。
図４は従来のスパイラル型のインダクタの模式図、図５は実施の形態２におけるスプリング状のインダクタの模式図である。図６は層間膜の透磁率とリアクタンスとの関係を示す図であり、横軸に透磁率を縦軸にインダクタンスを示し、スパイラル型インダクタとスプリング型インダクタとを比較した図である。
【００３３】
図４に示すように、従来からあるスパイラル型のインダクタは、内径が約１００ｕｍとなるように太さ１０ｕｍの任意の１層を１．５巻して渦巻状に形成したインダクタである。また、図５に示すように、実施の形態２におけるスプリング状の縦型インダクタは膜厚が５ｕｍの層間膜を挟んで上下２層に形成された太さが１０ｕｍの配線間をコンタクトで電気的に接続して形成した３巻のスプリング状のインダクタである。
【００３４】
このような形状が異なるインダクタにおいても、それぞれのインダクタの投影占有面積（上面図（不図示）において占める面積）が等しい時は、スプリング型のインダクタの方がスパイラル型のインダクタに比べて、層間膜の透磁率によるリアクタンスを向上させる効果が大きくなる。例えば、図６に示す、周波数２６ＧＨｚにおいて層間膜の透磁率を変化させたときのインダクタンスの変化をシミュレーションした結果からわかるように、平面スパイラル型のインダクタでは、平面上なのでもともと磁束のはみ出しは少なく効果が小さいために層間膜の透磁率を変化させてもインダクタンスはほとんど変化しないのに対し、スプリング状の縦型インダクタは、内部のみ透磁率が高い材料とすることにより磁束を効率的に強めることができるために透磁率１以上で飛躍的にインダクタンスが上昇する。スプリング状の縦型インダクタであれば、その他の「周波数」「層間膜の膜厚」「インダクタの太さ」であっても、透磁率１以上で飛躍的にインダクタンスが上昇する。ただし、周波数については共振周波数を除いた周波数とする。
【００３５】
以上のような実施の形態２における縦型インダクタの効果を構成例を示して説明する。
図８は実施の形態２の縦型インダクタにおける動作周波数とインダクタンスの関係を示す図であり、従来のスパイラル型インダクタと実施の形態２におけるスプリング型インダクタとの比較を行っている。
【００３６】
ここでは、スパイラル型インダクタとして、絶縁膜７０３の膜厚が１５ｕｍで、高さ５ｕｍの配線層７０４を主に用い、高さ５ｕｍの配線層７０６をブリッジ層として、内径が約１００ｕｍとなるような太さ１０ｕｍの１．５巻のスパイラル型インダクタを用いる。一方、スプリング型の縦型インダクタとして、配線層７０４と配線層７０６とその間に形成される膜厚が５ｕｍで透磁率が１０である層間膜７０５を用い、投影占有面積（上面図（不図示）において占める面積）がスパイラル型インダクタの約１／３となる太さが１０ｕｍで８巻のスプリング型の縦型インダクタを用いる。そして、これらのインダクタに対して、周波数を０〜６０ＧＨｚに変化させたときのインダクタンスの変化をシミュレーションで計算した結果を図８に示す。図８に示すように、スプリング型の縦型インダクタは投影占有面積がスパイラル型インダクタの１／３にも関わらず、約２倍のインダクタンスを得られる。これらのインダクタはいずれも２層の配線層からのみ形成することができ、プロセス工程も同じであることから、本発明が非常に有効であることがわかる。
【００３７】
以上の各実施の形態において、これらの絶縁膜、特に絶縁膜２０３，絶縁膜７０３の誘電正接は１０ＧＨｚ以上で０．０２以下であることが望ましい。
本発明の縦型インダクタが設けられたデバイスは準ミリ波帯以上の高周波数帯域、特にミリ波帯をターゲットとしており、１０ＧＨｚ以上の周波数帯においても、絶縁膜の誘電正接が小さいことが求められ、許容される誘電正接の値は０．０２以下であるためである。一般的に金属化合物は誘電正接が高く、その周囲に伝送線路を形成すると、伝送線路の信号の損失が非常に大きくなる。しかし、本発明では、縦型インダクタの層間膜を金属化合物と有機絶縁膜との混合材料で形成しており、この有機絶縁膜を誘電正接の低い材料とすることで、誘電正接が０．０２以下の低誘電正接となる混合材料を作成することが可能となる。
【００３８】
また、厚膜層間膜によりＳｉ基板と絶縁膜上の受動素子や伝送線路とを隔てることにより、受動素子や伝送線路からＳｉ基板へ電磁界が漏れ出すのを防ぐことができる。このような膜厚と損失との関係について図３を用いて説明する。
【００３９】
図３は絶縁膜の膜厚と損失の関係を示す図であり、２６ＧＨｚで誘電正接が０．００９の樹脂を用いた時の例である。
図３に示すように、このような条件において、絶縁膜の膜厚を１０ｕｍ以上とすることで、伝送線路の損失を大幅に抑えることができることがわかる。
【００４０】
また、絶縁膜２０３，絶縁膜７０３として例えば、ＰＳＧ、ＮＳＧ、ＢＰＳＧ、ＳｉＮ、ＳｉＯ、ＳｉＯＮなどを用いることができる。
また、絶縁膜２０５，絶縁膜２０７，絶縁膜７１０として例えば、ポリイミド、ＢＣＢ（Ｂｅｎｚｏ−Ｃｙｃｌｏ−Ｂｕｔｅｎｅ）、ＰＢＯ（Ｐｏｌｙ−Ｂｅｎｚ−Ｏｘａｚｏｌｅ）、ＳＵ−８、アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ系樹脂などを用いることもできる。
【００４１】
絶縁膜２０５，絶縁膜２０７，絶縁膜７１０を貫通するコンタクトは、絶縁膜２０５，絶縁膜２０７，絶縁膜７１０形成の前に絶縁膜とほぼ同様の高さのメッキポストを形成した後に、絶縁膜２０５，絶縁膜２０７，絶縁膜７１０を塗布、もしくは堆積によって形成し、その後、メッキポスト上部を絶縁膜２０５，絶縁膜２０７，絶縁膜７１０が感光性材料の場合はリソグラフィ法によって、非感光性の場合はエッチング法によって頭だしを実施して形成する。または、絶縁膜２０５，絶縁膜２０７，絶縁膜７１０をリソグラフィ法もしくはエッチング法にてコンタクトビアを形成した後、無電解メッキ法にてコンタクトを埋包して形成する。
【００４２】
また、受動素子を形成する配線層（２０４，２０６，２０８，７０４，７０６，７０８）の間の層間膜２０５，層間膜２０７あるいは絶縁膜７１０は、平面型のインダクタよりも小さい面積で同等以上のインダクタンスを得ることができるため、他の絶縁膜よりも透磁率の高いことが望ましい。
【００４３】
また、透磁率が高い層間膜７１０は、誘電損失の上昇を抑えながら、透磁率を高めることができるため、透磁率が高い金属化合物と誘電損失が低い有機絶縁膜の混合材料を用いる。また、有機絶縁膜として例えば、ポリイミド、ＢＣＢ（Ｂｅｎｚｏ−Ｃｙｃｌｏ−Ｂｕｔｅｎｅ）、ＰＢＯ（Ｐｏｌｙ−Ｂｅｎｚ−Ｏｘａｚｏｌｅ）、ＳＵ−８、アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ系樹脂を用いることが望ましい。
【００４４】
また、受動素子を形成する配線層７０４，７０６，７０８の間の層間膜７０５，７０７、絶縁膜７１０や配線層２０４，２０６，２０８の間の絶縁膜２０５，２０７は、膜厚が１ｕｍ以上あることが望ましい。好ましくは５ｕｍ以上あることが望ましい。
【００４５】
Ｓｉ−ＣＭＯＳトランジスタの配線工程で縦型インダクタの配線を形成する場合、その層間膜は厚くても数百ｎｍオーダーであるため、十分なインダクタンスを得ることができない。しかし、Ｓｉ基板上に１０ｕｍ以上の絶縁膜を持つようなデバイスは、Ｓｉ−ＣＭＯＳデバイスの通常工程後の別工程として絶縁膜を形成することが多く、従来のＳｉ−ＣＭＯＳデバイスの製造工程のルールに縛られない設計が可能となる。そこで、縦型インダクタを構成する配線間の層間膜の膜厚も１ｕｍ以上にすることが可能であり、比較的大きなインダクタンスを得ることができる。
【００４６】
さらに、前記樹脂の膜厚が１０ｕｍ以上であることが望ましい。
また、本発明に係る縦型インダクタでは、前記透磁率の高い層間膜の透磁率は１以上であることが望ましい。
【００４７】
また、本発明に係る縦型インダクタでは、前記透磁率の高い層間膜に含まれる金属化合物は平均粒径が１ｕｍ以下の粒子であることが望ましい。
このようにすることで、インダクタを形成する配線の層間膜厚よりも金属化合物の平均粒径が小さくなり、１ｕｍ以上の層間膜中において、透磁率が大きいナノコンポジット材料としての特性を発現することができる。ここで平均粒径とはコールターカウンター法によって算出した値とする。
【００４８】
また、本発明に係る縦型インダクタでは、前記透磁率の高い層間膜に含まれる金属化合物は、元素としてＮｉ、Ｆｅ、Ｍｏのいずれか１つ以上を含むことが望ましい。
これらの元素をもつ化合物やフェライト系材料は高い透磁率をもつことが知られており、それらをナノコンポジット材料として用いることが望ましい。
【００４９】
また、本発明に係る縦型インダクタでは、図７に例示したように、前記透磁率の高い層間膜はインダクタを形成する部分のみに選択的に形成されていることが望ましい。このようにすると、縦型インダクタを形成する以外の部位は、低誘電損失に特化した材料などを使用することができ、伝送線路やバランなどのその他受動素子を形成する上で、高透磁率ナノコンポジット膜が、信号の損失の原因となることを防ぐことができる。
【００５０】
また、本発明に係る縦型インダクタは、前記透磁率の高い層間膜は感光性材料であることが望ましく、リソグラフィ法によって形成されることが望ましい。
金属化合物を含むようなナノコンポジット膜はエッチング加工が困難であるが、このようにすることにより、インダクタを形成する部分のみに選択的に透磁率の高い層間膜を容易に形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、Ｓｉ基板上に、低損失でかつ、小面積で高インダクタンスを実現することができ、デバイスに形成される縦型インダクタ等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】実施の形態１における縦型インダクタの構成を示す模式図
【図２】実施の形態１における縦型インダクタを備える高周波デバイスの構成を示す概略断面図
【図３】Ｓｉ絶縁膜の膜厚と伝送線路の損失の関係図
【図４】従来のスパイラル型のインダクタの模式図
【図５】実施の形態２におけるスプリング状のインダクタの模式図
【図６】層間膜の透磁率とリアクタンスとの関係を示す図
【図７】実施の形態２における縦型インダクタを備える高周波デバイスの構成を示す概略断面図
【図８】実施の形態２の縦型インダクタにおける動作周波数とインダクタンスの関係を示す図
【符号の説明】
【００５３】
２０１，７０１ Ｓｉ基板
２０２，７０２ 多層配線層
２０３，７０３ 絶縁膜
２０４，２０６，２０８，７０４，７０６，７０８ 配線層
２０９，７０９ 絶縁膜
７０５，７０７ 層間膜
２０５，２０７，７１０ 絶縁膜
２１１ コンタクト
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デバイスに形成される縦型インダクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、化合物半導体とヘテロ構造トランジスタの両者の発達はマイクロ波およびミリメートル波長回路との改良された周波数性能を助長する。例えば、優れた高周波数性能は選択されたパンドギャップの半導体によりヘテロ構造のバイポーラトランジスタ（以下ＨＢＴ）の各トランジスタ領域を形成することにより達成される。ＨＢＴの例では、エミッタ半導体はベース半導体よりも大きなバンドギャップを有するように選択される。このことによりエミッタがエミッタ効率を増加させるために高濃度にドープされるため、ベースを高濃度にドープしてベース抵抗を増加させる必要がなくなり、ベース長を狭くすることを可能にする。さらに、コレクタ半導体はトランジスタのブレークダウン電圧を増加するように選択されることができる。
【０００３】
従来、ヘテロ構造トランジスタの利点が得られるのは主として砒化ガリウムアルミニウム／砒化ガリウム（以下ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ）半導体システムがあげられる。ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓシステムの利点は、優れた格子整合と、良好に開発された成長技術（例えば、分子ビームエピタキシおよび金属有機化合物の化学蒸気付着）と、大きなバンドギャップ差の有効性と、高い電子移動度と、半絶縁ＧａＡｓ基体を含んでいる点である。
【０００４】
これらの半導体システムのマイクロ波およびミリ波信号の伝導は典型的に差動のマイクロストリップ伝送線路あるいはコプレーナ伝送線路により達成される。これらの構造の誘電体は誘電損失を減少するように低い損失タンジェントを有することが好ましい。典型的に、これらの半導体システムの基体は伝送線路の誘電体を形成する。ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓシステムの基体はクロムまたは鉄のようなキャリアトラップ不純物の付加を通じて高い比抵抗で製造することができる。従って、これらの基体は低損失伝送線路の形成に使用することができる。また、この高い比抵抗と高い比誘電率を有するこの基体では、平衡と不平衡の状態にある電気信号を変換するための受動素子バラン（平衡−不平衡変換器）において優れた特性を得ることができる。
【０００５】
一方近年、シリコンゲルマニウム／シリコン（以下ＳｉＧｅ／Ｓｉ）やシリコン上のＣ−ＭＯＳデバイスがマイクロ波あるいはミリ波領域において利用できる可能性が示されている。Ｓｉは最も成熟した半導体技術であり、他の半導体システムよりも価格面の利点が大きい。
【０００６】
しかしながら、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓは基板自体が絶縁性を示すのとは対照的に、Ｓｉの比抵抗は純化によってしか増加させることができないので、比抵抗が限定される。従って、比抵抗の低いＳｉ基板にまで伝送線路や受動素子の電磁界が漏れ出し、Ｓｉ基板上で製造される伝送線路や受動素子は不所望な損失を発生する。主にこの理由で、廉価なＳｉＧｅ／Ｓｉシステムで構成されるＭＭＩＣは競争的性能を示さない。
【０００７】
そこで、Ｓｉ基板上の能動素子上に絶縁膜を数ミクロンから十数ミクロン堆積させ、その上に伝送線路や受動素子を形成する方法が提案されている（特許文献１参照）。
しかし、Ｓｉ−ＣＭＯＳデバイスは微細化されているのに対し、受動素子の大きさは非常に大きくチップ面積が大きくなり、低コスト化のためには、素子の微細化が非常に重要な課題となっている。面積を大きくなる素子の一つにインダクタが挙げられる。インダクタは一般的にスパイラル形状に形成することで所望のインダクタンスを得る。
【特許文献１】特開２００２−０５７２９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そのため、本発明の縦型インダクタは、Ｓｉ基板上に、低損失でかつ、小面積で高インダクタンスを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の縦型インダクタは、Ｓｉ基板上に形成される能動素子上に第１の絶縁膜を介して形成される縦型インダクタであって、少なくとも２層以上の配線と、配線層間に設けられる第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜を貫通して前記配線を電気的に接続するコンタクトとから形成され、前記第２の絶縁膜が前記第１の絶縁膜よりも透磁率が高く、前記第２の絶縁膜が金属化合物と前記金属化合物よりも透磁率の低い有機絶縁膜の混合材料で形成されることを特徴とする。
【００１０】
また、前記配線と前記コンタクトを接続することによりスプリング形状にすることを特徴とする。
また、前記第１の絶縁膜の膜厚が１０ｕｍ以上であることを特徴とする。
【００１１】
また、前記第１の絶縁膜が樹脂であることを特徴とする。
また、前記第２の絶縁膜の誘電正接が、０．０２以下であることを特徴とする。
また、前記第２の絶縁膜の膜厚が１ｕｍ以上であることを特徴とする。
【００１２】
また、前記第２の絶縁膜の透磁率が１以上であることを特徴とする。
また、前記第２の絶縁膜に含まれる金属化合物の粒子は平均粒径が１ｕｍ以下の粒子であることを特徴とする。
【００１３】
また、前記第２の絶縁膜に含まれる金属化合物は、元素としてＮｉ、Ｆｅ、Ｍｏのいずれか１つ以上を含むことを特徴とする。
また、前記第２の絶縁膜はインダクタを形成する部分のみに選択的に形成され、前記第２の絶縁膜の周囲の前記配線層間には第３の絶縁膜を形成することを特徴とする。
【００１４】
また、前記第２の絶縁膜は感光性材料であることを特徴とする。
以上により、Ｓｉ基板上に、低損失でかつ、小面積で高インダクタンスを実現することができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、インダクタを複数層に形成された配線をコンタクトで接続して形成し、配線層間の層間膜を金属化合物と金属化合物よりも透磁率の低い有機絶縁膜との混合材料で形成し、さらに、層間膜の透磁率を下層の絶縁膜よりも高くすることにより、効率の良いインダクタが形成できるので、Ｓｉ基板上に、低損失でかつ、小面積で高インダクタンスを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の縦型インダクタは、Ｓｉ基板上に形成される高周波素子において、少なくとも２層以上の配線を利用して形成し、前記複数配線層の間の層間膜が下層の絶縁膜よりも透磁率が高く、前記層間膜が金属化合物と前記金属化合物よりも透磁率の低い有機絶縁膜との混合材料で形成されることを特徴とする。
【００１７】
このように、複数層に形成された配線を必要な長さになるようにコンタクトで接続してインダクタを形成することにより効率的にインダクタンスを確保し、インダクタを形成する配線層間の層間膜を金属化合物と金属化合物よりも透磁率の低い有機絶縁膜との混合材料で形成し、さらに、層間膜の透磁率を下層の絶縁膜よりも高くすることにより平面型のインダクタよりも小さい面積で同等以上のインダクタンスを得ることができる。また、層間膜を感光性とすることで容易に所望の部位のみに層間膜を形成することが可能となり、効率の良いインダクタが形成できるので、Ｓｉ基板上に、低損失でかつ、小面積で高インダクタンスを実現することができる。
【００１８】
以下、本発明における縦型インダクタの具体的な実施の形態について、図面を用いて説明する。
（実施の形態１）
まず、実施の形態１における縦型インダクタの実施の形態について、図１，図２を用いて説明する。
【００１９】
図１は実施の形態１における縦型インダクタの構成を示す模式図であり、高周波デバイス中の３層構造の縦型インダクタを抜き出した３次元的構造を示す図である。図２は実施の形態１における縦型インダクタを備える高周波デバイスの構成を示す概略断面図である。
【００２０】
図１，図２に示すように、Ｓｉ基板２０１上に、ＳｉやＳｉＧｅなどＳｉの特性を用いたトランジスタなどの能動素子層と、Ｓｉ基板上にＣＭＯＳなど能動素子を形成する工程の後工程としてＡｌやＣｕなどと絶縁層とを積層した多層配線層２０２が形成される。この多層配線層２０２の上に絶縁膜２０３が形成される。この時、多層配線層２０２に含まれる絶縁膜の膜厚と、その上に形成される絶縁膜２０３の膜厚との合計が１０ｕｍ以上とすることが好ましい。特に絶縁膜２０３のみで１０ｕｍ以上とすることが望ましい。これは、図３に示したように受動素子や配線を形成する層とＳｉ基板との距離が１０ｕｍ以下であると、比抵抗の低いＳｉ基板にまで伝送線路や受動素子の電磁界が漏れ出し、Ｓｉ基板上で製造される伝送線路や受動素子に不所望な損失が大きく発生するのを防ぐためである。絶縁膜２０３の上方に縦型インダクタを含む受動素子を形成する第１層目の配線層２０４，第２層目の配線層２０６，第３層目の配線層２０８が形成される。特に、絶縁膜２０５，絶縁膜２０７中にコンタクト２１１を形成し、第１層目の配線層２０４，第２層目の配線層２０６，第３層目の配線層２０８を電気的に接続することにより必要な長さ，インダクタンスを有するインダクタを得ることができる。ここで配線層は３層としているが２層以上であればよい。配線層２０８上には絶縁膜２０９が形成される。
【００２１】
さらに、第１層目の配線層２０４，第２層目の配線層２０６，第３層目の配線層２０８の間の層間膜２０５，層間膜２０７が下層の絶縁膜２０３よりも透磁率が高く、層間膜２０５，層間膜２０７が金属化合物と金属化合物よりも透磁率の低い有機絶縁膜の混合材料で形成する。
【００２２】
このように、インダクタを複数層に形成された配線をコンタクトで接続して形成し、配線層間の層間膜を金属化合物と金属化合物よりも透磁率の低い有機絶縁膜との混合材料で形成し、さらに、層間膜の透磁率を下層の絶縁膜よりも高くすることにより、縦型に螺旋状に形成した配線内部に発生する磁束を強めることができるので、配線のインダクタンス成分を強めることができる。一般的に透磁率の高い材料は誘電損失が大きく、低損失な配線の層間膜としては不向きである。逆に、誘電損失の低い樹脂膜は透磁率が低く、縦型インダクタの層間膜としては不向きである。しかし、本発明のように混合材料とすることで、誘電損失の上昇を抑えながら、透磁率を高めることができる。また、透磁率の高い材料は一般的に金属材料であるため加工が困難であり、所望の部位だけに形成することが困難である。しかし、感光性有機絶縁膜の性質から、容易に所望の位置のみに層間膜を形成することができ、インダクタンスを形成する以外の高透磁率が不要な部位には低誘電損失に特化した絶縁膜のみによって形成することが可能となる。そのため、Ｓｉ基板上に、低損失でかつ、小面積で高インダクタンスを実現する効率の良いインダクタが形成することができる。特に、コンタクト２１１により第１層目の配線層２０４，第２層目の配線層２０６，第３層目の配線層２０８を電気的に接続して必要なインダクタンスを有するインダクタを得ることができるので、縦型インダクタのインダクタンスを飛躍的に上昇させることができる。
【００２３】
また、第１層目の配線層２０４，第２層目の配線層２０６，第３層目の配線層２０８は、Ｓｉ基板上に形成された能動素子と、その上に形成された絶縁膜２０３の上に形成されることを特徴とする。また、絶縁膜２０３としては樹脂を用いても良い。
【００２４】
この時、多層配線層２０２に含まれる絶縁膜の膜厚、絶縁膜２０３との合計膜厚は厚い方が比抵抗の低いＳｉ基板への電磁界の漏れ出しを防ぎ、伝送線路や受動素子の損失を防げるため望ましい。
【００２５】
また、多層配線層２０２内の配線、もしくは、別途形成する配線層で、信号以外の部分をグラウンドとして、Ｓｉ基板２０１からの影響を遮ることが望ましい。また、この場合、そのグラウンド層から受動素子を形成する配線層までの絶縁膜の膜厚が１０ｕｍ以上であることが望ましい。
（実施の形態２）
次に、実施の形態２における縦型インダクタの実施の形態について、図７を用いて説明する。
【００２６】
図７は実施の形態２における縦型インダクタを備える高周波デバイスの構成を示す概略断面図である。
図７に示すように、Ｓｉ基板７０１上に、ＳｉやＳｉＧｅなどＳｉの特性を用いたトランジスタなどの能動素子層と、Ｓｉ基板上にＣＭＯＳなど能動素子を形成する工程の後工程としてＡｌやＣｕなどと絶縁層とを積層した多層配線層７０２が形成される。この多層配線層７０２の上に絶縁膜７０３が形成される。この時、多層配線層７０２に含まれる絶縁膜の膜厚と、その上に形成される絶縁膜７０３の膜厚との合計が１０ｕｍ以上とすることが好ましい。特に絶縁膜２０３のみで１０ｕｍ以上とすることが望ましい。これは、図３に示したように受動素子や配線を形成する層とＳｉ基板との距離が１０ｕｍ以下であると、比抵抗の低いＳｉ基板にまで伝送線路や受動素子の電磁界が漏れ出し、Ｓｉ基板上で製造される伝送線路や受動素子に不所望な損失が大きく発生するのを防ぐためである。絶縁膜７０３の上方に縦型インダクタを含む受動素子を形成する第１層目の配線層７０４，第２層目の配線層７０６，第３層目の配線層７０８が形成される。特に、絶縁膜７１０中にコンタクト７１１を形成し、第１層目の配線層７０４，第２層目の配線層７０６，第３層目の配線層７０８を電気的に接続することにより必要なインダクタンスを有するインダクタを得ることができる。ここで配線層は３層としているが２層以上であればよい。配線層７０８上には絶縁膜７０９が形成される。
【００２７】
さらに、第１層目の配線層７０４，第２層目の配線層７０６，第３層目の配線層７０８の間の絶縁膜７１０が下層の絶縁膜７０３よりも透磁率が高く、絶縁膜７１０が金属化合物と金属化合物よりも透磁率の低い有機絶縁膜との混合材料で形成する。
【００２８】
このように、複数層に形成された配線をコンタクトで接続してインダクタを形成し、インダクタを形成する配線層間の層間膜を金属化合物と金属化合物よりも透磁率の低い有機絶縁膜との混合材料で形成し、さらに、層間膜の透磁率を下層の絶縁膜よりも高くすることにより平面型のインダクタよりも小さい面積で同等以上のインダクタンスを得ることができる。また、層間膜を感光性とすることで容易に所望の部位のみに層間膜を形成することが可能となり、効率の良いインダクタが形成できるので、Ｓｉ基板上に、低損失でかつ、小面積で高インダクタンスを実現することができる。特に、コンタクト７１１により第１層目の配線層７０４，第２層目の配線層７０６，第３層目の配線層７０８を電気的に接続して必要なインダクタンスを有するインダクタを得ることができるので、縦型インダクタのインダクタンスを飛躍的に上昇させることができる。
【００２９】
また、第１層目の配線層７０４，第２層目の配線層７０６，第３層目の配線層７０８は、Ｓｉ基板上に形成された能動素子と、その上方に形成された絶縁膜７０３の上に形成されることを特徴とする。また、絶縁膜７０３として樹脂を用いることも可能である。
【００３０】
この時、絶縁膜の誘電率が高いほど比抵抗の低いＳｉ基板にまで伝送線路や受動素子の電磁界が漏れ出し、Ｓｉ基板上で製造される伝送線路や受動素子に不所望な損失が大きく発生するのを防ぐため、多層配線層７０２に含まれる絶縁膜の膜厚、絶縁膜７０３との合計膜厚は厚い方が望ましい。
【００３１】
また、多層配線層７０２内の配線、もしくは、別途形成する配線層で、信号以外の部分をグラウンドとして、Ｓｉ基板７０１からの影響を遮ることが望ましい。また、この場合、そのグラウンド層から受動素子を形成する配線層までの絶縁膜の膜厚が１０ｕｍ以上であることが望ましい。
【００３２】
次に、実施の形態２における縦型インダクタの構成例について、図４〜図６を用いて説明する。
図４は従来のスパイラル型のインダクタの模式図、図５は実施の形態２におけるスプリング状のインダクタの模式図である。図６は層間膜の透磁率とリアクタンスとの関係を示す図であり、横軸に透磁率を縦軸にインダクタンスを示し、スパイラル型インダクタとスプリング型インダクタとを比較した図である。
【００３３】
図４に示すように、従来からあるスパイラル型のインダクタは、内径が約１００ｕｍとなるように太さ１０ｕｍの任意の１層を１．５巻して渦巻状に形成したインダクタである。また、図５に示すように、実施の形態２におけるスプリング状の縦型インダクタは膜厚が５ｕｍの層間膜を挟んで上下２層に形成された太さが１０ｕｍの配線間をコンタクトで電気的に接続して形成した３巻のスプリング状のインダクタである。
【００３４】
このような形状が異なるインダクタにおいても、それぞれのインダクタの投影占有面積（上面図（不図示）において占める面積）が等しい時は、スプリング型のインダクタの方がスパイラル型のインダクタに比べて、層間膜の透磁率によるリアクタンスを向上させる効果が大きくなる。例えば、図６に示す、周波数２６ＧＨｚにおいて層間膜の透磁率を変化させたときのインダクタンスの変化をシミュレーションした結果からわかるように、平面スパイラル型のインダクタでは、平面上なのでもともと磁束のはみ出しは少なく効果が小さいために層間膜の透磁率を変化させてもインダクタンスはほとんど変化しないのに対し、スプリング状の縦型インダクタは、内部のみ透磁率が高い材料とすることにより磁束を効率的に強めることができるために透磁率１以上で飛躍的にインダクタンスが上昇する。スプリング状の縦型インダクタであれば、その他の「周波数」「層間膜の膜厚」「インダクタの太さ」であっても、透磁率１以上で飛躍的にインダクタンスが上昇する。ただし、周波数については共振周波数を除いた周波数とする。
【００３５】
以上のような実施の形態２における縦型インダクタの効果を構成例を示して説明する。
図８は実施の形態２の縦型インダクタにおける動作周波数とインダクタンスの関係を示す図であり、従来のスパイラル型インダクタと実施の形態２におけるスプリング型インダクタとの比較を行っている。
【００３６】
ここでは、スパイラル型インダクタとして、絶縁膜７０３の膜厚が１５ｕｍで、高さ５ｕｍの配線層７０４を主に用い、高さ５ｕｍの配線層７０６をブリッジ層として、内径が約１００ｕｍとなるような太さ１０ｕｍの１．５巻のスパイラル型インダクタを用いる。一方、スプリング型の縦型インダクタとして、配線層７０４と配線層７０６とその間に形成される膜厚が５ｕｍで透磁率が１０である層間膜７０５を用い、投影占有面積（上面図（不図示）において占める面積）がスパイラル型インダクタの約１／３となる太さが１０ｕｍで８巻のスプリング型の縦型インダクタを用いる。そして、これらのインダクタに対して、周波数を０〜６０ＧＨｚに変化させたときのインダクタンスの変化をシミュレーションで計算した結果を図８に示す。図８に示すように、スプリング型の縦型インダクタは投影占有面積がスパイラル型インダクタの１／３にも関わらず、約２倍のインダクタンスを得られる。これらのインダクタはいずれも２層の配線層からのみ形成することができ、プロセス工程も同じであることから、本発明が非常に有効であることがわかる。
【００３７】
以上の各実施の形態において、これらの絶縁膜、特に絶縁膜２０３，絶縁膜７０３の誘電正接は１０ＧＨｚ以上で０．０２以下であることが望ましい。
本発明の縦型インダクタが設けられたデバイスは準ミリ波帯以上の高周波数帯域、特にミリ波帯をターゲットとしており、１０ＧＨｚ以上の周波数帯においても、絶縁膜の誘電正接が小さいことが求められ、許容される誘電正接の値は０．０２以下であるためである。一般的に金属化合物は誘電正接が高く、その周囲に伝送線路を形成すると、伝送線路の信号の損失が非常に大きくなる。しかし、本発明では、縦型インダクタの層間膜を金属化合物と有機絶縁膜との混合材料で形成しており、この有機絶縁膜を誘電正接の低い材料とすることで、誘電正接が０．０２以下の低誘電正接となる混合材料を作成することが可能となる。
【００３８】
また、厚膜層間膜によりＳｉ基板と絶縁膜上の受動素子や伝送線路とを隔てることにより、受動素子や伝送線路からＳｉ基板へ電磁界が漏れ出すのを防ぐことができる。このような膜厚と損失との関係について図３を用いて説明する。
【００３９】
図３は絶縁膜の膜厚と損失の関係を示す図であり、２６ＧＨｚで誘電正接が０．００９の樹脂を用いた時の例である。
図３に示すように、このような条件において、絶縁膜の膜厚を１０ｕｍ以上とすることで、伝送線路の損失を大幅に抑えることができることがわかる。
【００４０】
また、絶縁膜２０３，絶縁膜７０３として例えば、ＰＳＧ、ＮＳＧ、ＢＰＳＧ、ＳｉＮ、ＳｉＯ、ＳｉＯＮなどを用いることができる。
また、絶縁膜２０５，絶縁膜２０７，絶縁膜７１０として例えば、ポリイミド、ＢＣＢ（Ｂｅｎｚｏ−Ｃｙｃｌｏ−Ｂｕｔｅｎｅ）、ＰＢＯ（Ｐｏｌｙ−Ｂｅｎｚ−Ｏｘａｚｏｌｅ）、ＳＵ−８、アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ系樹脂などを用いることもできる。
【００４１】
絶縁膜２０５，絶縁膜２０７，絶縁膜７１０を貫通するコンタクトは、絶縁膜２０５，絶縁膜２０７，絶縁膜７１０形成の前に絶縁膜とほぼ同様の高さのメッキポストを形成した後に、絶縁膜２０５，絶縁膜２０７，絶縁膜７１０を塗布、もしくは堆積によって形成し、その後、メッキポスト上部を絶縁膜２０５，絶縁膜２０７，絶縁膜７１０が感光性材料の場合はリソグラフィ法によって、非感光性の場合はエッチング法によって頭だしを実施して形成する。または、絶縁膜２０５，絶縁膜２０７，絶縁膜７１０をリソグラフィ法もしくはエッチング法にてコンタクトビアを形成した後、無電解メッキ法にてコンタクトを埋包して形成する。
【００４２】
また、受動素子を形成する配線層（２０４，２０６，２０８，７０４，７０６，７０８）の間の層間膜２０５，層間膜２０７あるいは絶縁膜７１０は、平面型のインダクタよりも小さい面積で同等以上のインダクタンスを得ることができるため、他の絶縁膜よりも透磁率の高いことが望ましい。
【００４３】
また、透磁率が高い層間膜７１０は、誘電損失の上昇を抑えながら、透磁率を高めることができるため、透磁率が高い金属化合物と誘電損失が低い有機絶縁膜の混合材料を用いる。また、有機絶縁膜として例えば、ポリイミド、ＢＣＢ（Ｂｅｎｚｏ−Ｃｙｃｌｏ−Ｂｕｔｅｎｅ）、ＰＢＯ（Ｐｏｌｙ−Ｂｅｎｚ−Ｏｘａｚｏｌｅ）、ＳＵ−８、アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ系樹脂を用いることが望ましい。
【００４４】
また、受動素子を形成する配線層７０４，７０６，７０８の間の層間膜７０５，７０７、絶縁膜７１０や配線層２０４，２０６，２０８の間の絶縁膜２０５，２０７は、膜厚が１ｕｍ以上あることが望ましい。好ましくは５ｕｍ以上あることが望ましい。
【００４５】
Ｓｉ−ＣＭＯＳトランジスタの配線工程で縦型インダクタの配線を形成する場合、その層間膜は厚くても数百ｎｍオーダーであるため、十分なインダクタンスを得ることができない。しかし、Ｓｉ基板上に１０ｕｍ以上の絶縁膜を持つようなデバイスは、Ｓｉ−ＣＭＯＳデバイスの通常工程後の別工程として絶縁膜を形成することが多く、従来のＳｉ−ＣＭＯＳデバイスの製造工程のルールに縛られない設計が可能となる。そこで、縦型インダクタを構成する配線間の層間膜の膜厚も１ｕｍ以上にすることが可能であり、比較的大きなインダクタンスを得ることができる。
【００４６】
さらに、前記樹脂の膜厚が１０ｕｍ以上であることが望ましい。
また、本発明に係る縦型インダクタでは、前記透磁率の高い層間膜の透磁率は１以上であることが望ましい。
【００４７】
また、本発明に係る縦型インダクタでは、前記透磁率の高い層間膜に含まれる金属化合物は平均粒径が１ｕｍ以下の粒子であることが望ましい。
このようにすることで、インダクタを形成する配線の層間膜厚よりも金属化合物の平均粒径が小さくなり、１ｕｍ以上の層間膜中において、透磁率が大きいナノコンポジット材料としての特性を発現することができる。ここで平均粒径とはコールターカウンター法によって算出した値とする。
【００４８】
また、本発明に係る縦型インダクタでは、前記透磁率の高い層間膜に含まれる金属化合物は、元素としてＮｉ、Ｆｅ、Ｍｏのいずれか１つ以上を含むことが望ましい。
これらの元素をもつ化合物やフェライト系材料は高い透磁率をもつことが知られており、それらをナノコンポジット材料として用いることが望ましい。
【００４９】
また、本発明に係る縦型インダクタでは、図７に例示したように、前記透磁率の高い層間膜はインダクタを形成する部分のみに選択的に形成されていることが望ましい。このようにすると、縦型インダクタを形成する以外の部位は、低誘電損失に特化した材料などを使用することができ、伝送線路やバランなどのその他受動素子を形成する上で、高透磁率ナノコンポジット膜が、信号の損失の原因となることを防ぐことができる。
【００５０】
また、本発明に係る縦型インダクタは、前記透磁率の高い層間膜は感光性材料であることが望ましく、リソグラフィ法によって形成されることが望ましい。
金属化合物を含むようなナノコンポジット膜はエッチング加工が困難であるが、このようにすることにより、インダクタを形成する部分のみに選択的に透磁率の高い層間膜を容易に形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、Ｓｉ基板上に、低損失でかつ、小面積で高インダクタンスを実現することができ、デバイスに形成される縦型インダクタ等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】実施の形態１における縦型インダクタの構成を示す模式図
【図２】実施の形態１における縦型インダクタを備える高周波デバイスの構成を示す概略断面図
【図３】Ｓｉ絶縁膜の膜厚と伝送線路の損失の関係図
【図４】従来のスパイラル型のインダクタの模式図
【図５】実施の形態２におけるスプリング状のインダクタの模式図
【図６】層間膜の透磁率とリアクタンスとの関係を示す図
【図７】実施の形態２における縦型インダクタを備える高周波デバイスの構成を示す概略断面図
【図８】実施の形態２の縦型インダクタにおける動作周波数とインダクタンスの関係を示す図
【符号の説明】
【００５３】
２０１，７０１ Ｓｉ基板
２０２，７０２ 多層配線層
２０３，７０３ 絶縁膜
２０４，２０６，２０８，７０４，７０６，７０８ 配線層
２０９，７０９ 絶縁膜
７０５，７０７ 層間膜
２０５，２０７，７１０ 絶縁膜
２１１ コンタクト
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ基板上に形成される能動素子上に第１の絶縁膜を介して形成される縦型インダクタであって、
少なくとも２層以上の配線と、
配線層間に設けられる第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜を貫通して前記配線を電気的に接続するコンタクトと
から形成され、
前記第２の絶縁膜が前記第１の絶縁膜よりも透磁率が高く、
前記第２の絶縁膜が金属化合物と前記金属化合物よりも透磁率の低い有機絶縁膜の混合材料で形成されることを特徴とする縦型インダクタ。
【請求項２】
前記配線と前記コンタクトを接続することによりスプリング形状にすることを特徴とする請求項１記載の縦型インダクタ。
【請求項３】
前記第１の絶縁膜の膜厚が１０ｕｍ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の縦型インダクタ。
【請求項４】
前記第１の絶縁膜が樹脂であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の縦型インダクタ。
【請求項５】
前記第２の絶縁膜の誘電正接が、０．０２以下であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の縦型インダクタ。
【請求項６】
前記第２の絶縁膜の膜厚が１ｕｍ以上であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の縦型インダクタ。
【請求項７】
前記第２の絶縁膜の透磁率が１以上であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の縦型インダクタ。
【請求項８】
前記第２の絶縁膜に含まれる金属化合物の粒子は平均粒径が１ｕｍ以下の粒子であることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の縦型インダクタ。
【請求項９】
前記第２の絶縁膜に含まれる金属化合物は、元素としてＮｉ、Ｆｅ、Ｍｏのいずれか１つ以上を含むことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の縦型インダクタ。
【請求項１０】
前記第２の絶縁膜はインダクタを形成する部分のみに選択的に形成され、前記第２の絶縁膜の周囲の前記配線層間には第３の絶縁膜を形成することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の縦型インダクタ。
【請求項１１】
前記第２の絶縁膜は感光性材料であることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の縦型インダクタ。
【請求項１】
Ｓｉ基板上に形成される能動素子上に第１の絶縁膜を介して形成される縦型インダクタであって、
少なくとも２層以上の配線と、
配線層間に設けられる第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜を貫通して前記配線を電気的に接続するコンタクトと
から形成され、
前記第２の絶縁膜が前記第１の絶縁膜よりも透磁率が高く、
前記第２の絶縁膜が金属化合物と前記金属化合物よりも透磁率の低い有機絶縁膜の混合材料で形成されることを特徴とする縦型インダクタ。
【請求項２】
前記配線と前記コンタクトを接続することによりスプリング形状にすることを特徴とする請求項１記載の縦型インダクタ。
【請求項３】
前記第１の絶縁膜の膜厚が１０ｕｍ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の縦型インダクタ。
【請求項４】
前記第１の絶縁膜が樹脂であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の縦型インダクタ。
【請求項５】
前記第２の絶縁膜の誘電正接が、０．０２以下であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の縦型インダクタ。
【請求項６】
前記第２の絶縁膜の膜厚が１ｕｍ以上であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の縦型インダクタ。
【請求項７】
前記第２の絶縁膜の透磁率が１以上であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の縦型インダクタ。
【請求項８】
前記第２の絶縁膜に含まれる金属化合物の粒子は平均粒径が１ｕｍ以下の粒子であることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の縦型インダクタ。
【請求項９】
前記第２の絶縁膜に含まれる金属化合物は、元素としてＮｉ、Ｆｅ、Ｍｏのいずれか１つ以上を含むことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の縦型インダクタ。
【請求項１０】
前記第２の絶縁膜はインダクタを形成する部分のみに選択的に形成され、前記第２の絶縁膜の周囲の前記配線層間には第３の絶縁膜を形成することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の縦型インダクタ。
【請求項１１】
前記第２の絶縁膜は感光性材料であることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の縦型インダクタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１２９９３６（Ｐ２０１０−１２９９３６Ａ）
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０５８０２（Ｐ２００８−３０５８０２）
【出願日】平成２０年１２月１日（２００８．１２．１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１日（２００８．１２．１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]